慢性踝关节不稳患者单腿站立时感觉运动皮层、背外侧前额叶及颞上回激活增强：一项功能性近红外光谱研究

《Frontiers in Human Neuroscience》：Patients with chronic ankle instability exhibit increased sensorimotor cortex, dorsolateral prefrontal cortex, and superior temporal gyrus activation during single-leg stance: a functional near-infrared spectroscopy study

本研究发现，慢性踝关节不稳（CAI）患者在单腿站立（SLS）时，双侧感觉运动皮层（SMC）、背外侧前额叶皮层（DLPFC）和颞上回（STG）的氧合血红蛋白浓度变化（ΔHbO2）显著高于健康对照，且与质心加速度（RMS、Acc_max）呈正相关。研究结合功能性近红外光谱（fNIRS）与可穿戴惯性传感器，揭示了CAI患者平衡控制障碍的神经生理机制，为神经康复策略提供了新视角。

　　

引言

踝关节扭伤是运动损伤中最常见的类型之一，约70%的急性外侧踝扭伤患者会发展为慢性踝关节不稳（CAI）。平衡缺陷是CAI的核心临床表现，但其背后的大脑皮层可塑性证据尚不充分。本研究旨在通过功能性近红外光谱（fNIRS）和可穿戴惯性传感器，比较CAI患者与健康人群在单腿站立（SLS）任务中的皮层活动与平衡差异，并探索脑血流信号与稳态功能的相关性，以阐明平衡控制的神经生理变化。

材料与方法

研究纳入30例右侧CAI患者和30例年龄匹配的健康对照。通过fNIRS监测感觉运动皮层（SMC）、背外侧前额叶皮层（DLPFC）和颞上回（STG）的氧合血红蛋白浓度变化（ΔHbO₂），同时利用惯性传感器计算质心（COM）活动范围、加速度均方根（RMS）和峰值加速度（Acc_max）。此外，还进行了量表评估（视觉模拟评分、足踝能力评定量表、坎伯兰踝关节不稳工具）和功能测试（经典平衡测试、Y平衡测试、多方向伸手测试、计时起立行走测试）。

单腿站立任务细分为四种范式：右腿支撑睁眼（RO）、右腿支撑闭眼（RC）、左腿支撑睁眼（LO）、左腿支撑闭眼（LC）。每种任务重复3次，每次包括20秒基线期、20秒单腿站立和20秒休息期。

数据处理方面，fNIRS数据经过坏道标记、运动伪影校正、带通滤波（0.01-0.2 Hz），并通过修正的比尔-朗伯定律计算ΔHbO₂。惯性传感器数据用于计算前后方向（AP）和内外方向（ML）的RMS加速度和Acc_max。

结果

demographic数据显示，两组年龄无显著差异（p=0.16），但CAI组的BMI更高（p=0.001）。功能测试中，CAI组在Y平衡测试、计时起立行走测试和多方向伸手测试中表现均差于健康对照。

惯性传感器数据表明，CAI组在不同支撑腿和视觉条件下均表现出更大的COM摆动。组间比较显示，RMS-AP（F=5.51, p=0.02）、RMS-ML（F=8.5, p=0.004）、Acc_max-AP（F=11.83, p=0.001）和Acc_max-ML（F=5.06, p=0.026）存在显著差异。

fNIRS结果显示，CAI组在所有感兴趣脑区（STG-R、DLPFC-R、SMC-R、STG-L、DLPFC-L、SMC-L）的ΔHbO₂均显著高于健康对照（p均<0.01）。闭眼条件下，脑区激活更为明显。

相关性分析发现，在RC条件下，RMS-ML与STG-L的ΔHbO₂呈高度正相关（r=0.72, p=0.001），Acc_max-ML与STG-L的ΔHbO₂也呈高度正相关（r=0.74, p=0.001）。其他条件下也发现多个脑区激活与平衡参数之间存在中度至高度相关性。

讨论

本研究发现CAI患者存在明显的平衡功能障碍，表现为COM摆动增大，且闭眼时更为显著，提示患者可能过度依赖视觉输入维持平衡。同时，CAI患者在单腿站立时双侧SMC、DLPFC和STG激活增强，表明其需要调动更多的感觉运动、认知和前庭相关脑资源来代偿踝关节的本体感觉缺陷。这种增强的脑激活可能与中枢神经系统的适应性重塑有关。

特别值得注意的是，即使在健侧腿支撑时，CAI患者也表现出双侧脑区激活增强和平衡功能下降，这支持了"交叉效应"假说，即单侧踝关节损伤可能引发双侧神经控制策略的改变。闭眼条件下脑区激活与平衡参数的相关性更强，进一步证实了在视觉剥夺时，前庭和体感系统在平衡控制中扮演更重要的角色。

研究的局限性包括fNIRS通道数量有限、横断面设计无法推断因果关系、未控制体力活动水平等混杂因素。未来研究可纳入更多脑区监测，并结合纵向设计或神经调控技术探讨干预效果。

结论

CAI患者表现出平衡能力下降和COM摆动增加，同时在单腿站立时双侧STG、DLPFC和SMC激活增强，尤其在视觉抑制时更为明显。增强的脑活动与COM变化呈正相关。fNIRS与可穿戴惯性传感器的结合为CAI的平衡功能评估提供了有效的神经生理学视角。